JP2012138677A - 高周波電力増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力、高効率および広ダイナミックレンジを有する低歪みな高周波信号を出力する高周波電力増幅器を提供する。
【解決手段】高周波電力増幅器１００であって、増幅用トランジスタ３と、増幅用トランジスタ３の後段に配置された増幅用トランジスタ４と、増幅用トランジスタ３のベースにバイアス電流Ｉ_１を供給するバイアス回路１１と、増幅用トランジスタ４のベースにバイアス電流Ｉ_２を供給するバイアス回路１２とを備え、バイアス回路１１は、高周波出力信号の出力電力値が第１電力値のとき第１電流値の電流をバイアス電流Ｉ_１とし、第１電力値よりも大きい第２電力値のとき第１電流値よりも小さい第２電流値の電流をバイアス電流Ｉ_１とし、バイアス回路１２は、高周波出力信号の出力電力値が第１電力値であるとき第３電流値の電流をバイアス電流Ｉ_２とし、第２電力値であるとき第３電流値よりも大きい第４電流値の電流をバイアス電流Ｉ_２とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、移動体通信の送受信に用いられる高周波電力増幅器に関し、特に、低歪みな高周波信号を出力する高周波電力増幅器のバイアス回路に関する。

近年、携帯電話等の移動体通信システムにおいては、伝送レートの大容量、高速化を実現するデジタル変調信号にＨＳＤＰＡ（Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｄｏｗｎｌｉｎｋ Ｐａｃｋｅｔ Ａｃｃｅｓｓ）、ＨＳＵＰＡ（Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｕｐｌｉｎｋ Ｐａｃｋｅｔ Ａｃｃｅｓｓ）方式が用いられるが、この変調信号においては、ピーク電圧の振幅は増大傾向にある。上記方式が用いられる移動体通信システムの携帯電話において、送信用に用いられる高周波電力増幅器には、高出力かつ低歪みな出力信号特性が強く要求されている。この低歪性を実現するためには、入力信号電力と出力信号電力との間で、利得が一定となるような線形性が要求される。

また、高周波電力増幅器において、高効率と低歪特性とはトレードオフの関係にあるが、デジタル変調信号を増幅する高周波電力増幅器に必要とされる動作は、入力信号の電力に対し、広いダイナミックレンジで一定の利得を確保し、低歪な信号を出力することである。

上記高周波電力増幅器の高出力、高効率を改善する手段として以下に示す技術が開示されている。特許文献１では、高周波電力増幅回路における増幅用トランジスタに供給するベース電流の量を、高出力（高利得）時よりも低出力（低利得）時に少なくなるようにすることが開示されている。これにより、低出力時における上記増幅用トランジスタのコレクタからエミッタに流れる電流が減少し、低出力時における消費電力の低減が図られる。

特許第３８２９１２１号公報

しかしながら、特許文献１に記載された高周波電力増幅回路は、低出力時には増幅用トランジスタに供給されるベース電流の量が少ない低アイドル電流に、また、高出力時には増幅用トランジスタに供給されるベース電流の量が多い高アイドル電流に変化するように設定される。

そのため、例えば、中出力時に利得が一定となるようアイドル電流が設定された場合、低出力時には小信号領域においてＢ級またはＢ級に近いＡＢ級となる低アイドル電流となるため、入力信号電力の増大による出力電流振幅の増大により、コレクタ電流の直流成分が増大し、これにより、電力増幅用トランジスタの最大有能電力利得が上昇する。この動作における電力増幅用トランジスタの利得は、小信号時に最小となり入力信号電力の増大に伴い上昇することとなる。つまり、電力増幅用トランジスタを、小信号領域において最小利得となるようなＢ級またはＢ級に近いＡＢ級に設定した場合では、利得が一定とならず、入力信号電力と出力信号電力との線形性が悪化することとなる。

一方、高出力時には、高アイドル電流に設定されるため、電力増幅用トランジスタの利得は、小信号時に最大となり、入力信号の増大に伴い減少することとなる。この場合も、利得が一定とならず、入力信号電力と出力信号電力との線形性が悪化する。このように、各出力段階にわたり広いダイナミックレンジを実現できるような一定の利得が得られず、高出力かつ低歪みな高周波信号を出力する高周波電力増幅器を実現できないといった課題が生じる。

本発明は、上記課題に鑑み、高出力、高効率および広ダイナミックレンジを有する低歪みな高周波信号を出力する高周波電力増幅器を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高周波電力増幅器は、高周波入力信号を電力増幅して高周波出力信号を出力する高周波電力増幅器であって、第１のトランジスタと、前記第１のトランジスタの後段に配置された第２のトランジスタと、前記第１のトランジスタのベースに第１ベース電流を供給する第１のバイアス回路と、前記第２のトランジスタのベースに第２ベース電流を供給する第２のバイアス回路とを備え、前記第１のバイアス回路は、前記高周波出力信号の出力電力値が第１電力値であるとき、第１電流値の電流を前記第１ベース電流として供給し、前記高周波出力信号の電力値が前記第１電力値よりも大きい第２電力値であるとき、前記第１電流値よりも小さい第２電流値の電流を前記第１ベース電流として供給し、前記第２のバイアス回路は、前記高周波出力信号の出力電力値が前記第１電力値であるとき第３電流値の電流を前記第２ベース電流として供給し、前記高周波出力信号の電力値が前記第２電力値であるとき、前記第３電流値よりも大きい第４電流値の電流を前記第２ベース電流として供給することを特徴とするものである。

上記構成の高周波電力増幅器によれば、高出力時には、第２のバイアス回路が後段に配置された第２のトランジスタに供給するベース電流の量を大きくして高アイドル電流とした場合において、第２のトランジスタの利得は、小信号時に最大利得となり入力信号電力の増加に対し利得が減少する傾向となる。これにより、第２のトランジスタでは、入力電力と出力電力とは、非線形の関係となる。これに対し、前段に配置された第１のトランジスタにベース電流を供給する第１のバイアス回路は、上述した第２のトランジスタにおける非線形を相殺するように、高出力時には、第１のトランジスタのベース電流が小さくなるような低アイドル電流に設定する。これにより、第１のトランジスタの利得は、小信号時に最小となり入力信号電力の増加につれ上昇することとなる。これにより、第１及び第２のトランジスタを有する高周波電力増幅器において、高出力時には、入力信号電力の変化に対して利得を一定にすることができる。

一方、低出力時には、第２のトランジスタは低い電圧振幅となることから、第２のバイアス回路が第２のトランジスタに供給するベース電流の量を少なくして低アイドル電流とした場合において、第２のトランジスタの利得は、小信号時に最小利得となり入力信号電力の増加に対し利得が増加する傾向となる。これにより、第２のトランジスタでは、入力電力と出力電力とは非線形の関係となる。これに対し、第１のトランジスタにベース電流を供給する第１のバイアス回路は、上記非線形を相殺するように、低出力時には、第１のトランジスタのベース電流が大きくなるような高アイドル電流に設定する。これにより、第１のトランジスタの利得は、小信号時に最大となり入力信号電力の増大に対し減少することとなる。これにより、高周波電力増幅器において、低出力時には、入力信号電力の変化に対して利得を一定にすることができる。

また、一般的に、前段のトランジスタより後段のトランジスタの方がはるかに大きな電圧振幅を得る必要が有り、トランジスタのサイズおよびアイドル電流も後段のトランジスタの方が大きく設定されるのが通常である。そのため、高周波電力増幅器として利得の安定性を確保するためには、前段のアイドル電流の増加量は、後段のアイドル電流の減少量よりはるかに小さくて良く、低出力時における前段のアイドル電流の増加が効率を低下させる影響は小さいため、本発明の効果が奏されることとなる。

また、本発明の一態様は、前記第１のバイアス回路は、前記第１のトランジスタに前記第１ベース電流を供給するための第１のエミッタフォロア回路を有し、前記第１のエミッタフォロア回路は、コレクタ、エミッタ及びベースを有する第３のトランジスタと第４のトランジスタとを備え、前記第３のトランジスタのエミッタが前記第１のトランジスタのベースに接続され、前記第３のトランジスタのベースとコレクタには前記第１のバイアス回路を動作させるための駆動用電圧が供給されることにより、前記出力電力値により可変しない第１基本バイアス電流を前記第３のトランジスタのコレクタからエミッタへ流し、前記第４のトランジスタのコレクタが前記第１のトランジスタのベース及び前記第３のトランジスタのエミッタに接続され、前記第４のトランジスタのエミッタが抵抗を介して接地され、前記第４のトランジスタのベースには前記出力電力値に応じた第１制御電圧が供給されることにより、前記第１制御電圧が大きいほど大きくなる第１可変電流を前記第４のトランジスタのコレクタからエミッタへ流し、前記第１ベース電流は、前記第１基本バイアス電流から前記第１可変電流が減じられた値であることが好ましい。

これにより、高出力時には、第２のトランジスタが高アイドル電流に設定された場合、第１のトランジスタを低アイドル電流に設定することが可能となる。また、低出力時には、第２のトランジスタが低アイドル電流に設定された場合、第１のトランジスタを高アイドル電流に設定することが可能となる。

また、本発明の一態様は、前記第２のバイアス回路は、前記第２のトランジスタに前記第２ベース電流を供給するための第２のエミッタフォロア回路を有し、前記第２のエミッタフォロア回路は、コレクタ、エミッタ及びベースを有する第５のトランジスタと第６のトランジスタとを備え、前記第５のトランジスタのエミッタが前記第２のトランジスタのベースに接続され、前記第５のトランジスタのベースとコレクタには前記第２のバイアス回路を動作させるための当該駆動用電圧が供給されることにより、前記出力電力値により可変しない第２基本バイアス電流を前記第５のトランジスタのコレクタからエミッタへ流し、前記第６のトランジスタのエミッタが前記第２のトランジスタのベース及び前記第５のトランジスタのエミッタに接続され、前記第６のトランジスタのベースには前記駆動用電圧が供給され、前記第６のトランジスタのコレクタには前記出力電力に応じた第２制御電圧が供給されることにより、前記第２制御電圧が大きいほど大きくなる第２可変電流を前記第６のトランジスタのコレクタからエミッタへ流し、前記第２ベース電流は、前記第２基本バイアス電流と前記第２可変電流とが加算された値であることが好ましい。

これにより、高出力時には、第２のトランジスタを高アイドル状態に設定でき、低出力時には、第２のトランジスタを低アイドル状態に設定できる。

また、本発明の一態様は、前記第１のバイアス回路は、さらに、コレクタ、エミッタ及びベースを有する第７のトランジスタを備え、前記第７のトランジスタのエミッタが前記第４のトランジスタのベースに接続され、前記第７のトランジスタのベースには前記第１のバイアス回路を動作させるための駆動用電圧が供給され、前記第７のトランジスタのコレクタには前記出力電力値に応じた第２制御電圧が供給されることにより、前記第２制御電圧が大きいほど大きくなる前記第１制御電圧を前記第４のトランジスタのベースへ供給してもよい。

これにより、第１と第２のバイアス回路において、第１及び第２のトランジスタに供給するベース電流のうち出力電力に依存して変化する可変電流成分の変化率の絶対値を同じ値に設定することが可能となる。よって、第１のトランジスタと第２のトランジスタとの利得の差を最大限に相殺することが可能となる。

また、本発明の一態様は、前記第１及び第２のトランジスタのコレクタの少なくとも一方には、前記出力電力値に応じて電圧レベルが可変する第２制御電圧が印加されてもよい。

これにより、出力電力に応じて、増幅用のトランジスタのコレクタ電圧を変化させることが可能となる。

また、本発明の他の態様は、さらに、前記出力電力値に応じて電圧レベルが可変する制御電圧を、前記第１及び前記第２のバイアス回路に出力する電圧制御回路を備えてもよい。

また、本発明の他の態様は、前記電圧制御回路は、ＤＣ／ＤＣコンバータであることを特徴とする。

これらにより、出力電力に応じて、第１及び第２のバイアス回路に印加される制御電圧を変化させることが可能となる。

本発明によれば、高出力、高効率および広ダイナミックレンジを有し、低歪み高周波信号を出力する高周波電力増幅器を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る高周波電力増幅器の回路構成図である。 実施の形態の比較例である高周波電力増幅器の回路構成図である。 本発明の実施の形態に係る高周波電力増幅器における制御電圧とアイドル電流との関係を表すグラフである。 本発明の実施の形態に係る高周波電力増幅器における入力信号電力と利得との関係を表すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る高周波電力増幅器の回路構成図である。同図に記載された高周波電力増幅器１００は、入力端子１と、出力端子２と、増幅用トランジスタ３および４と、入力整合回路５と、段間整合回路６と、出力整合回路７と、バイアス回路１１および１２とを備える。バイアス回路１１は、トランジスタ１１１〜１１５と、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ６とを備えた第１のバイアス回路であり、第１のエミッタフォロア回路を構成している。バイアス回路１２は、トランジスタ１２１〜１２４と、抵抗素子Ｒ７〜Ｒ１０とを備えた第２のバイアス回路であり、第２のエミッタフォロア回路を構成している。

高周波電力増幅器１００は、入力端子１から高周波入力信号Ｓ_ｉｎを入力し、高周波入力信号Ｓ_ｉｎを電力増幅して出力端子２から高周波出力信号Ｓ_ｏｕｔを出力する。

増幅用トランジスタ３は、入力側の初段に設けられた増幅用の第１のトランジスタである。増幅用トランジスタ３のコレクタは、電源電圧端子８と接続されるとともに、段間整合回路６を介して増幅用トランジスタ４のベースに接続されており、エミッタは接地されており、ベースは、入力整合回路５を介して入力端子１に接続されるとともにバイアス回路１１に接続されている。増幅用トランジスタ３のコレクタは、高周波信号の出力電力に応じてコレクタ電圧を変化させるため、電源電圧端子８を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１から変換された制御電圧Ｖｃ２の供給を受ける。

増幅用トランジスタ４は、出力側の最終段に設けられた増幅用の第２のトランジスタである。増幅用トランジスタ４のコレクタは、電源電圧端子８と接続されるとともに、出力整合回路７を介して出力端子２と接続されており、エミッタは接地されており、ベースは、段間整合回路６を介して増幅用トランジスタ３のコレクタとに接続されるとともにバイアス回路１２に接続されている。増幅用トランジスタ４のコレクタは、出力電力に応じてコレクタ電圧を変化させるため、電源電圧端子８を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１から制御電圧Ｖｃ２の供給を受ける。

増幅用トランジスタ３及び４のコレクタが接続されている電源電圧端子８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ２１には、電源から、例えば定電圧が供給されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ２１では、供給された定電圧を、高周波出力信号の出力電力に応じて変換し、当該制御電圧Ｖｃ２を増幅用トランジスタ３及び４のコレクタに供給している。上記制御電圧Ｖｃ２は、上記出力電力の大きさに応じた電圧を供給する。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は、制御電圧Ｖｃ２を、アイドル電流を変化させるための制御電圧として、バイアス回路１１および１２にも供給する。

増幅用トランジスタ３のベースには、入力整合回路５を介して、高周波入力信号電流Ｉ_ｉｎが供給されるとともに、バイアス回路１１からの第１ベース電流であるバイアス電流Ｉ_１が供給される。増幅用トランジスタ３は、ベースに印加された入力信号電流Ｉ_ｉｎ及びバイアス電流Ｉ_１の加算電流に応じた高周波のコレクタ電圧Ｖｃ_３を段間整合回路６へと出力し、段間整合回路６は入力されたコレクタ電圧Ｖｃ_３をコレクタ電流Ｉｃ_３へと変換して増幅用トランジスタ４のベースへと流す。

増幅用トランジスタ４のベースには、段間整合回路６で電流変換されたコレクタ電流Ｉｃ_３が供給されるとともに、バイアス回路１２からの第２ベース電流であるバイアス電流Ｉ_２が供給される。増幅用トランジスタ４は、ベースに印加されたコレクタ電流Ｉｃ_３及びバイアス電流Ｉ_２の加算電流に応じた高周波のコレクタ電圧Ｖｃ_４を出力整合回路７へと出力し、出力整合回路７は入力されたコレクタ電圧Ｖｃ_４を出力変換して出力端子２へと流す。

次に、バイアス回路１１の機能について説明する。

トランジスタ１１１は第３のトランジスタであり、増幅用トランジスタ３のバイアス電流Ｉ_１の基本成分となる第１基本バイアス電流Ｉｂ_１１を供給するエミッタフォロワ回路を構成する、例えば、バイポーラトランジスタである。トランジスタ１１１はエミッタが増幅用トランジスタ３のベースに接続され、コレクタがバイアス電圧印加端子１１０に接続され、ベースが、抵抗素子Ｒ１及びＲ２、ならびに、トランジスタ１１２及び１１３で構成される第１補償回路に接続されている。これにより、トランジスタ１１１は第１補償回路により補償されるので、基本バイアス電流Ｉｂ_１１も補償される。つまり、増幅用トランジスタ３も補償される。これにより、第１補償回路は、高周波電力増幅器１００が熱暴走するのを防止できる。

第１補償回路は、基準電圧印加端子９からの駆動用電圧により高周波電力増幅器１００の動作及び非動作を切り替えるとともに、例えば、トランジスタ１１１と増幅用トランジスタ３との温度補償を行う。なお、第１補償回路の構成は、図１に示す構成に限らず、ダイオードを用いた構成でもよい。

上記第１基本バイアス電流Ｉｂ_１１を生成する基本バイアス電流生成回路に対して、抵抗素子Ｒ３〜Ｒ５、トランジスタ１１４及び１１５で構成された回路は、抵抗素子Ｒ５を介してトランジスタ１１５のコレクタに印加された制御電圧Ｖｃ２が大きいほど、トランジスタ１１１のエミッタから第４のトランジスタであるトランジスタ１１４のコレクタへと流れ込む第１可変電流である逆バイアス電流Ｉｎ_１１が大きくなる。よって、増幅用トランジスタ３のベースへ印加されるバイアス電流Ｉ_１が、Ｉ_１＝Ｉｂ_１１−Ｉｎ_１１で表されることから、バイアス電流Ｉ_１は、制御電圧Ｖｃ２が大きいほど減少する。

つまり、バイアス回路１１は、エミッタがトランジスタ３のベースに接続され、ベースとコレクタには、それぞれ、基準電圧印加端子９及び電源電圧端子８からバイアス回路１１を動作させるための駆動用電圧が供給され、高周波出力信号の出力電力により可変しない第１基本バイアス電流Ｉｂ_１１をコレクタからエミッタへ流すトランジスタ１１１と、コレクタが増幅用トランジスタ３のベース及びトランジスタ１１１のエミッタに接続され、エミッタが抵抗を介して接地され、ベースには高周波出力信号の出力電力に応じた第１制御電圧が供給され、当該出力電力が大きいほど大きくなる逆バイアス電流Ｉｎ_１１をコレクタからエミッタへ流すトランジスタ１１４とを備え、バイアス電流Ｉ_１は、第１基本バイアス電流Ｉｂ_１１から逆バイアス電流Ｉｎ_１１が減じられた値である。

さらに、バイアス回路１１は、エミッタがトランジスタ１１４のベースに接続され、ベースには基準電圧印加端子９からバイアス回路１１を動作させるための駆動用電圧が供給され、コレクタには高周波出力信号の出力電力に応じた第２制御電圧である制御電圧Ｖｃ２が供給され、当該出力電力が大きいほど大きくなる第１制御電圧をトランジスタ１１４のベースへ供給するトランジスタ１１５を備える。トランジスタ１１５は、第７のトランジスタである。

次に、バイアス回路１２の機能について説明する。

トランジスタ１２１は第５のトランジスタであり、増幅用トランジスタ４のバイアス電流Ｉ_２の基本成分となる第２基本バイアス電流Ｉｂ_１２を供給するエミッタフォロワ回路を構成する、例えば、バイポーラトランジスタである。トランジスタ１２１はエミッタが増幅用トランジスタ４のベースに接続され、コレクタがバイアス電圧印加端子１２０に接続され、ベースが、抵抗素子Ｒ７及びＲ８、ならびに、トランジスタ１２２及び１２３で構成される第２補償回路に接続されている。これにより、トランジスタ１２１は第２補償回路により補償されるので、第２基本バイアス電流Ｉｂ_１２も補償される。つまり、増幅用トランジスタ４も補償される。これにより、第２補償回路は、高周波電力増幅器１００が熱暴走するのを防止できる。

第２補償回路は、基準電圧印加端子９からの電圧により高周波電力増幅器１００の動作及び非動作を切り替えるとともに、例えば、トランジスタ１２１と増幅用トランジスタ４との温度補償を行う。なお、補償回路の構成は、図１に示す構成に限らず、ダイオードを用いた構成でもよい。

上記第２基本バイアス電流Ｉｂ_１２を生成する基本バイアス電流生成回路に対して、抵抗素子Ｒ９及びＲ１０、ならびにトランジスタ１２４で構成された回路は、抵抗素子Ｒ９を介してトランジスタ１２４のコレクタに印加された制御電圧Ｖｃ２が大きいほど、第６のトランジスタであるトランジスタ１２４のエミッタ電流である順バイアス電流Ｉｐ_１２が大きくなる。よって、増幅用トランジスタ４のベースへ印加されるバイアス電流Ｉ_２が、Ｉ_２＝Ｉｂ_１２＋Ｉｐ_１２で表されることから、バイアス電流Ｉ_２は、制御電圧Ｖｃ２が大きいほど増加する。

つまり、バイアス回路１２は、エミッタが増幅用トランジスタ４のベースに接続され、ベースとコレクタには、それぞれ、基準電圧印加端子９及び電源電圧端子８からバイアス回路１１を動作させるための駆動用電圧が供給され、高周波出力信号の出力電力により可変しない第２基本バイアス電流Ｉｂ_１２をコレクタからエミッタへ流すトランジスタ１２１と、エミッタが増幅用トランジスタ４のベース及びトランジスタ１２１のエミッタに接続され、ベースには当該駆動用電圧が供給され、コレクタには高周波出力信号の出力電力に応じた制御電圧Ｖｃ２が供給され、当該出力電力が大きいほど大きくなる順バイアス電流Ｉｐ_１２をコレクタからエミッタへ流すトランジスタ１２４とを備え、バイアス電流Ｉ_２は、第２基本バイアス電流Ｉｂ_１２と順バイアス電流Ｉｐ_１２とが加算された値である。

上記構成によれば、高出力時には大きな電圧振幅を有する出力電力を得るために、増幅用トランジスタ３及び４のコレクタ電圧が高くなるようにＤＣ／ＤＣコンバータ２１の制御電圧Ｖｃ２は高く設定され、また、低出力時には高効率化を図るために、制御電圧Ｖｃ２は低く設定される。

次に、本発明の実施の形態に係る高周波電力増幅器１００の比較例を、図２を用いて説明する。

図２は、実施の形態の比較例である高周波電力増幅器の回路構成図である。同図に記載された高周波電力増幅器５００は、入力端子１と、出力端子２と、増幅用トランジスタ３および４と、入力整合回路５と、段間整合回路６と、出力整合回路７と、バイアス回路１２および１３とを備える。同図に記載された高周波電力増幅器５００は、図１に記載された高周波電力増幅器１００と比較して、バイアス回路１１がバイアス回路１３に置き換えられている点のみが異なる。以下、高周波電力増幅器１００と同じ点は説明を省略し、異なる点のみ説明する。

バイアス回路１３は、トランジスタ１１１〜１１３及び１２５と、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ１１及びＲ１２とを備え、エミッタフォロア回路を構成している。

トランジスタ１１１は、増幅用トランジスタ３のバイアス電流Ｉ_３の基本成分となる第３基本バイアス電流Ｉｂ_１３を供給するエミッタフォロワ回路を構成する、例えば、バイポーラトランジスタである。トランジスタ１１１はエミッタが増幅用トランジスタ３のベースに接続され、コレクタがバイアス電圧印加端子１１０に接続され、ベースが、抵抗素子Ｒ１及びＲ２、ならびに、トランジスタ１１２及び１１３で構成される第１補償回路に接続されている。これにより、トランジスタ１１１は第１補償回路により補償されるので、第３基本バイアス電流Ｉｂ_１３も補償される。つまり、増幅用トランジスタ３も補償される。これにより、第１補償回路は、高周波電力増幅器５００が熱暴走するのを防止できる。

上記第３基本バイアス電流Ｉｂ_１３を生成する基本バイアス電流生成回路に対して、抵抗素子１１及びＲ１２、ならびにトランジスタ１２５で構成された回路は、抵抗素子Ｒ１１を介してトランジスタ１２５のコレクタに印加された制御電圧Ｖｃ２が大きいほど、トランジスタ１２５のエミッタ電流である順バイアス電流Ｉｐ_１３が大きくなる。よって、増幅用トランジスタ３のベースへ印加されるバイアス電流Ｉ_３が、Ｉ_３＝Ｉｂ_１３＋Ｉｐ_１３で表されることから、バイアス電流Ｉ_３は、制御電圧Ｖｃ２が大きいほど増加する。

以下、本実施の形態の実施例である高周波電力増幅器１００及び比較例である高周波電力増幅器５００の高周波増幅特性について、図３及び図４を用いて説明する。

図３は、本発明の実施の形態に係る高周波電力増幅器における制御電圧とアイドル電流との関係を表すグラフである。同図には、本発明の実施例である高周波電力増幅器１００、及び、比較例である高周波電力増幅器５００における、アイドル電流の制御電圧依存性が示されている。図３に表されたグラフにおいて、横軸は制御電圧Ｖｃ２を表し、縦軸は初段アイドル電流及び最終段アイドル電流を表す。また、初段アイドル電流及び最終段アイドル電流は、それぞれ、図１及び図２におけるバイアス電流Ｉ_１、Ｉ_２及びＩ_３のことである。

図３に示されるように、実施例及び比較例ともに、制御電圧Ｖｃ２が増加するにつれ、最終段の増幅用トランジスタ４のアイドル電流は増加する。これは、バイアス回路１２において、制御電圧Ｖｃ２が高い状態においては、トランジスタ１２４が増幅用トランジスタ４へ供給するバイアス電流Ｉ_２が大きくなり、制御電圧Ｖｃ２が低い状態においてはバイアス電流Ｉ_２が小さくなることによるものである。

また、実施例では、制御電圧Ｖｃ２が増加するにつれ、初段の増幅用トランジスタ３のアイドル電流は減少する。これは、バイアス回路１１において、制御電圧Ｖｃ２が高い状態においては、トランジスタ１１１が増幅用トランジスタ３へ供給する基本バイアス電流Ｉｂ_１１をトランジスタ１１４の逆バイアス電流Ｉｎ_１１が減少させ、Ｖｃ２が低い状態では、減少させないよう動作することによるものである。一方、比較例では、制御電圧Ｖｃ２が増加するにつれ、初段の増幅用トランジスタ３のアイドル電流は増加する。これは、バイアス回路１３において、制御電圧Ｖｃ２が高い状態においては、トランジスタ１２５が増幅用トランジスタ３へ供給するバイアス電流Ｉ_３が大きくなり、制御電圧Ｖｃ２が低い状態においてはバイアス電流Ｉ_３が小さくなることによるものである。

つまり、バイアス回路１１は、高周波出力信号の出力電力が低出力であるときバイアス電流Ｉ_１の電流値を第１電流値に設定し、高周波出力信号の出力電力が高出力であるときバイアス電流Ｉ_１の電流値を第１電流値よりも小さい第２電流値に設定して、バイアス電流Ｉ_１をトランジスタ３のベースに供給する。一方、バイアス回路１２は、高周波出力信号の出力電力が低出力であるときバイアス電流Ｉ_２の電流値を第３電流値に設定し、高周波出力信号の出力電力が高出力であるときバイアス電流Ｉ_２の電流値を第３電流値よりも大きい第４電流値に設定して、バイアス電流Ｉ_２をトランジスタ４のベースに供給する。

図４は、本発明の実施の形態に係る高周波電力増幅器における入力信号電力と利得との関係を表すグラフである。同図には、本発明の実施例である高周波電力増幅器１００、及び、比較例である高周波電力増幅器５００における、利得の入力信号電力依存性が示されている。図４に表されたグラフにおいて、横軸は入力信号電力を表し、縦軸は利得を表す。

実施例に係る高周波電力増幅器１００では、バイアス回路１２により制御電圧Ｖｃ２が高いほど最終段の増幅用トランジスタ４のアイドル電流は増加する。よって、低出力時には、制御電圧Ｖｃ２が小さい値（Ｖｃ２＝１．０Ｖ）に設定され、増幅用トランジスタ４における利得が小信号時に最小となり、入力信号電力の増大につれ利得が増加する傾向となる。また、高出力時には、制御電圧Ｖｃ２が大きい値（Ｖｃ２＝３．０Ｖ）に設定され、増幅用トランジスタ４における利得が小信号時に最大となり、入力信号電力の増大につれ利得が減少する傾向となる。よって、増幅用トランジスタ４の入力信号電力と出力信号電力との関係は非線形となる。

これに対し、高周波電力増幅器１００のバイアス回路１１により、制御電圧Ｖｃ２が高いほど、初段の増幅用トランジスタ３のアイドル電流は減少する。よって、低出力時には、増幅用トランジスタ３における利得が、小信号時に最大となり、入力信号電力の増大につれ利得が減少する傾向となる。また、高出力時には、増幅用トランジスタ３における利得が小信号時に最小となり、入力信号電力の増大につれ利得が増加する傾向となる。

上述したように、増幅用トランジスタ３は、増幅用トランジスタ４で生じた利得の変化を相殺するように動作し、増幅用トランジスタ３及び４のアイドル状態の制御により、図４に示されるように、低出力、中出力、高出力の全ての範囲において、入力信号電力に対する利得を、広い入力信号電力範囲で一定とすることが可能となる。

これに対し、比較例に係る高周波電力増幅器５００では、初段のバイアス回路１３が、最終段のバイアス回路１２と同様の回路で構成されている。よって、アイドル電流の変化としては、図３の比較例で表されるように、制御電圧Ｖｃ２が高いほど増幅用トランジスタ３及び４のアイドル電流はともに増加する。

この場合における利得は、低出力時には小信号から大信号にかけて利得が上昇し、高出力時は小信号から大信号にかけて利得が減少してしまう。よって、図４に示されるように、低出力、中出力、高出力の全ての範囲において、入力信号電力の変化に対して、利得が一定とならない。

以上のように、本発明の実施の形態に係る高周波電力増幅器１００によれば、複数段の増幅器による構成において、高出力時に最終段の増幅用トランジスタ４のアイドル電流を増加するように設定した場合においても、低出力状態から高出力状態にかけて、入力信号電力に対する利得を一定にすることが可能となり、高出力、高効率、低歪みな高周波信号を出力する高周波増幅器が実現される。

つまり、上記構成の高周波電力増幅器１００によれば、増幅用トランジスタ４は、高出力時には高い電圧振幅を得るため、制御電圧Ｖｃ２によりバイアス回路１２が増幅用トランジスタ４を高アイドル状態に設定する。この場合において、増幅用トランジスタ４の利得は、小信号時に最大となり入力信号電力の増大とともに利得が減少する。これに対し、増幅用トランジスタ３にベース電流を供給するバイアス回路１１は、増幅用トランジスタ４で生じた入出力信号の非線形を相殺するように、高出力時には制御電圧Ｖｃ２により、増幅用トランジスタ３を低アイドル状態に設定する。これにより、入力側の増幅用トランジスタ３の利得は、小信号時に最小利得となり入力信号電力の増大に対し上昇することとなり、高周波電力増幅器１００は高出力時の利得を一定とすることが可能となる。

また一方で、増幅用トランジスタ４は、低出力時には低い電圧振幅を得ればよいので、制御電圧Ｖｃ２によりバイアス回路１２が増幅用トランジスタ４を低アイドル状態に設定する。この場合において、増幅用トランジスタ４の利得は、小信号時に最小となり入力信号電力の増加に対し増加する。これに対し、増幅用トランジスタ３にベース電流を供給するバイアス回路１１は、増幅用トランジスタ４で生じた入出力信号の非線形を相殺するように、低出力時には制御電圧Ｖｃ２により、増幅用トランジスタ３を高アイドル状態に設定する。これにより、入力側の増幅用トランジスタ３の利得は、小信号時に最大となり入力信号電力の増大に対し減少することなり、高周波電力増幅器１００は低出力時の利得を一定にすることが可能となる。

また、一般的に、入力段より出力段の方が、はるかに大きな電圧振幅を得る必要が有り、トランジスタのサイズ及びアイドル電流も出力段のトランジスタの方が大きく設定されるのが通常である。このため、制御電圧Ｖｃ２による入力段のアイドル電流の増加量は、出力段のアイドル電流の減少量よりはるかに小さくてよい。これにより、低出力時における入力段のアイドル電流の増加が効率を低下させる影響は小さく、本発明の効果が十分に奏されることとなる。

以上、本発明の高周波電力増幅器について、実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明に係る高周波電力増幅器は、上記実施の形態に限定されるものではない。実施の形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、実施の形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る高周波電力増幅器を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。

本発明の高周波電力増幅器は、高出力、高効率及び低歪な出力信号が要求される無線通信装置に利用が可能であり、産業上有用である。

１ 入力端子
２ 出力端子
３、４ 増幅用トランジスタ
５ 入力整合回路
６ 段間整合回路
７ 出力整合回路
８ 電源電圧端子
９ 基準電圧印加端子
１１、１２、１３ バイアス回路
２１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１００、５００ 高周波電力増幅器
１１０、１２０ バイアス電圧印加端子
１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１２１、１２２、１２３、１２４、１２５ トランジスタ
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８、Ｒ９、Ｒ１０、Ｒ１１、Ｒ１２ 抵抗素子

Claims (7)

1. 高周波入力信号を電力増幅して高周波出力信号を出力する高周波電力増幅器であって、
   第１のトランジスタと、
   前記第１のトランジスタの後段に配置された第２のトランジスタと、
   前記第１のトランジスタのベースに第１ベース電流を供給する第１のバイアス回路と、
   前記第２のトランジスタのベースに第２ベース電流を供給する第２のバイアス回路とを備え、
   前記第１のバイアス回路は、前記高周波出力信号の出力電力値が第１電力値であるとき、第１電流値の電流を前記第１ベース電流として供給し、前記高周波出力信号の電力値が前記第１電力値よりも大きい第２電力値であるとき、前記第１電流値よりも小さい第２電流値の電流を前記第１ベース電流として供給し、
   前記第２のバイアス回路は、前記高周波出力信号の出力電力値が前記第１電力値であるとき第３電流値の電流を前記第２ベース電流として供給し、前記高周波出力信号の電力値が前記第２電力値であるとき、前記第３電流値よりも大きい第４電流値の電流を前記第２ベース電流として供給する
   高周波電力増幅器。
2. 前記第１のバイアス回路は、前記第１のトランジスタに前記第１ベース電流を供給するための第１のエミッタフォロア回路を有し、
   前記第１のエミッタフォロア回路は、
   コレクタ、エミッタ及びベースを有する第３のトランジスタと第４のトランジスタとを備え、
   前記第３のトランジスタのエミッタが前記第１のトランジスタのベースに接続され、前記第３のトランジスタのベースとコレクタには前記第１のバイアス回路を動作させるための駆動用電圧が供給されることにより、前記出力電力値により可変しない第１基本バイアス電流を前記第３のトランジスタのコレクタからエミッタへ流し、
   前記第４のトランジスタのコレクタが前記第１のトランジスタのベース及び前記第３のトランジスタのエミッタに接続され、前記第４のトランジスタのエミッタが抵抗を介して接地され、前記第４のトランジスタのベースには前記出力電力値に応じた第１制御電圧が供給されることにより、前記第１制御電圧が大きいほど大きくなる第１可変電流を前記第４のトランジスタのコレクタからエミッタへ流し、
   前記第１ベース電流は、前記第１基本バイアス電流から前記第１可変電流が減じられた値である
   請求項１に記載の高周波電力増幅器。
3. 前記第２のバイアス回路は、前記第２のトランジスタに前記第２ベース電流を供給するための第２のエミッタフォロア回路を有し、
   前記第２のエミッタフォロア回路は、
   コレクタ、エミッタ及びベースを有する第５のトランジスタと第６のトランジスタとを備え、
   前記第５のトランジスタのエミッタが前記第２のトランジスタのベースに接続され、前記第５のトランジスタのベースとコレクタには前記第２のバイアス回路を動作させるための当該駆動用電圧が供給されることにより、前記出力電力値により可変しない第２基本バイアス電流を前記第５のトランジスタのコレクタからエミッタへ流し、
   前記第６のトランジスタのエミッタが前記第２のトランジスタのベース及び前記第５のトランジスタのエミッタに接続され、前記第６のトランジスタのベースには前記駆動用電圧が供給され、前記第６のトランジスタのコレクタには前記出力電力に応じた第２制御電圧が供給されることにより、前記第２制御電圧が大きいほど大きくなる第２可変電流を前記第６のトランジスタのコレクタからエミッタへ流し、
   前記第２ベース電流は、前記第２基本バイアス電流と前記第２可変電流とが加算された値である
   請求項１または２に記載の高周波電力増幅器。
4. 前記第１のバイアス回路は、さらに、
   コレクタ、エミッタ及びベースを有する第７のトランジスタを備え、
   前記第７のトランジスタのエミッタが前記第４のトランジスタのベースに接続され、前記第７のトランジスタのベースには前記第１のバイアス回路を動作させるための駆動用電圧が供給され、前記第７のトランジスタのコレクタには前記出力電力値に応じた第２制御電圧が供給されることにより、前記第２制御電圧が大きいほど大きくなる前記第１制御電圧を前記第４のトランジスタのベースへ供給する
   請求項２に記載の高周波電力増幅器。
5. 前記第１及び第２のトランジスタのコレクタの少なくとも一方には、前記出力電力値に応じて電圧レベルが可変する第２制御電圧が印加される
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の高周波電力増幅器。
6. さらに、
   前記出力電力値に応じて電圧レベルが可変する制御電圧を、前記第１及び前記第２のバイアス回路に出力する電圧制御回路を備える
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の高周波電力増幅器。
7. 前記電圧制御回路は、ＤＣ／ＤＣコンバータである
   請求項６に記載の高周波電力増幅器。

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